(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色性の光を発生させる白色光源（１）と、
前記白色光源からの光を受けて、自己の透過プロファイルと同形のスペクトル成分を有する光周波数グリッドを周波数軸上に一定の周期で発生させ、かつ外部信号により前記透過プロファイルの周波数位置が可変の周期性フィルター（２）と、
前記周期性フィルターから出力された前記周期性フィルターの透過プロファイルと同形のスペクトル成分を有する光周波数グリッドの一部を分岐する分岐器（１１）と、
周波数基準光を出力するレーザーダイオードから構成され、かつ該周波数基準光の発振周波数が制御された周波数基準光源（１２）と、
前記分岐器によって分岐された光周波数グリッドの一部と前記周波数基準光源から出力された周波数基準光とを合波する合波器（１３）と、
前記合波器から出力された前記光周波数グリッドの一部と前記周波数基準光間のヘテロダイン信号を電気信号に変換してヘテロダイン検波信号として出力する受光器（１４）と、
前記受光器から前記ヘテロダイン検波信号を受けて、該ヘテロダイン検波信号の位相又は周波数に依存した信号を検出し、かつ検出した該信号に基づいて前記外部信号を生成して前記周期性フィルターに帰還させる負帰還回路（１９）とを備えた光周波数グリッド発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光計測の分野で利用される光周波数基準光源に係わり、特に周波数軸上に等間隔に周波数基準光を発生させる光周波数グリッド発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すように、光通信においては、チャネル０〜ｎで周波数の異なる複数の信号光を発生し、それらを重畳して、１本の光ファイバーである幹線系に伝送させる波長多重通信（以下ＷＤＭという。WDM ：Wavelength Division Multiplexing）方式が開発されている。各チャネル０〜ｎのキャリア周波数ν0 〜νn は、それぞれＩＴＵ（International  Telecommunication  Unit）から勧告されており、それらは193.1 ＴＨｚを基準周波数として、そこから１００ＧＨｚの整数倍離れた周波数に配置され、そしてそれらの周波数確度は１ＧＨｚ以下が要求されている。
【０００３】
それぞれのキャリア周波数ν0 〜νn は、上記の要求を満たすように設定されているが、光源の劣化、周囲条件の変化等により、設定値からずれる恐れがあり、そのために各チャネル０〜ｎのキャリア周波数ν0 〜νn を常に監視することが求められている。キャリア周波数ν0 〜νn の測定・監視には、波長計や光スペクトラムアナライザが一般的に利用されるが、それらは非常に高価であり、各チャネル０〜ｎに設置することは経済的に見て極めて困難である。
【０００４】
そこで、図６に示すように、多重化された信号光の一部を幹線系から分岐し、光周波数コム発生器から出力された光周波数コム信号と上記分岐された信号光とを、各チャネル０〜ｎの検査器でそれぞれ合波してヘテロダイン検波を行い、得られたヘテロダイン検波信号の周波数を電気のスペクトラムアナライザで測定・監視し、測定結果に基づいて各キャリア周波数ν0 〜νn を調整する方法がある。
【０００５】
なお、光周波数コム発生器には、特開平７−５８３８６公報に開示されたものがあり、その概要は図７の（ａ）に示す通りである。すなわち、光周波数コム発生器は位相変調器、光共振器、マイクロ波シンセサイザー及びマイクロ波アンプから構成され、入力光の発振周波数ν0 を中心にマイクロ波シンセサイザーから出力される変調信号の周波数ｆm の間隔毎にコム状（櫛状）に多数の側帯波群を発生させるものである。このコム状に発生した側帯波群の側帯波間隔ｆm は、高確度に安定であることから、周波数軸上の目印となる光周波数グリッドとして利用することができる。すなわち、上述のように、各チャネル０〜ｎのキャリア周波数ν0 〜νn を測定するための周波数基準光とすることができる。
なお、光周波数グリッドとは、図８に示すように、周波数軸上に等間隔に並び、かつそれぞれの周波数位置及び周波数間隔が高確度に安定化された光の集まり（周波数位置ν1 〜νn+1 、周波数間隔ｆ）のことをいう。
【０００６】
また、特開昭６２−２６８１７２公報に開示されている光周波数マーカを、図６における周波数基準光を出力する光周波数コム発生器に置き換えて、光周波数コム発生器を用いる場合と同様に、各チャネル０〜ｎのキャリア周波数ν0 〜νn を測定・監視する方法もある。この光周波数マーカの発明は、図７の（ｂ）に示すように、連続スペクトルを有する光源からの光をファブリ・ペロー共振器に透過させることにより、ファブリ・ペロー共振器の透過プロファイルと同形のスペクトルを持つ光を出力するものである。換言すれば、ファブリ・ペロー共振器のフリースペクトルレンジ間隔に並んだ光の集まり（光周波数グリッド）を発生させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の光周波数コム発生器を利用する方法においては、光周波数コム発生器自身が、高価なマイクロ波シンセサイザーやマイクロ波アンプを必要とし経済的に問題であり、また、側帯波強度が次数に対して指数関数的に低下してしまい、その発生範囲が通常１〜２THz 程度で狭すぎるという問題があった。
また、上述の光周波数コム発生器に置き換えて光周波数マーカを利用する方法においては、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数が制御されていないために光周波数グリッドの周波数位置や周波数間隔の周波数確度が十分ではなかった。
本発明の目的は、上述の如き従来の問題点を鑑み、低価格で高確度な周波数グリッドを発生できる光周波数グリッド発生装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光周波数グリッド発生装置は、白色性の光を発生させる白色光源と、前記白色光源からの光を受けて、自己の透過プロファイルと同形のスペクトル成分を有する光周波数グリッドを周波数軸上に一定の周期で発生させ、かつ外部信号により前記透過プロファイルの周波数位置が可変の周期性フィルターと、前記周期性フィルターから出力された前記周期性フィルターの透過プロファイルと同形のスペクトル成分を有する光周波数グリッドの一部を分岐する分岐器と、周波数基準光を出力するレーザーダイオードから構成され、かつ該周波数基準光の発振周波数が制御された周波数基準光源と、前記分岐器によって分岐された光周波数グリッドの一部と前記周波数基準光源から出力された周波数基準光とを合波する合波器と、前記合波器から出力された前記光周波数グリッドの一部と前記周波数基準光間のヘテロダイン信号を電気信号に変換してヘテロダイン検波信号として出力する受光器と、前記受光器から前記ヘテロダイン検波信号を受けて、該ヘテロダイン検波信号の位相又は周波数に依存した信号を検出し、かつ検出した該信号に基づいて前記外部信号を生成して前記周期性フィルターに帰還させる負帰還回路とを備えた。
【０００９】
すなわち、本発明の光周波数グリッド発生装置は、周期的な透過プロファイルを有する周期性フィルターに白色光を入力することにより、周期性フィルターの透過プロファイルと同形のスペクトルを持つ光を光周波数グリッドとして発生させ、発生された光周波数グリッドの一部とレーザーダイオードから構成され発振周波数が制御された周波数基準光源からの周波数基準光とを合波してヘテロダイン検波を行なうことにより、それらの差周波数の位相又は周波数を検知し、それを周期性フィルターに負帰還させることにより、光周波数グリッドの周波数を周波数基準光源の周波数に同期させるものである。その結果、光周波数グリッド一本一本の周波数は周波数基準光源の周波数に同期し、周波数基準光源と同等の周波数安定度や周波数確度を有することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光周波数グリッド発生装置の実施の形態について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の光周波数グリッド発生装置の原理を示したものである。図中の（ａ）は白色光源１のスペクトルを、（ｂ）は周期性フィルター２の透過プロファイルを示している。白色光源１から出力された白色性の光が周期性フィルター２を透過すると、（ｃ）に示す通り、その透過光は周期性フィルター２の透過プロファイルと同形のスペクトルとなる。光周波数グリッドの一本一本のピーク周波数は周期性フィルター２の透過ピークの周波数と同じになる。また、フィネスの高い周期性フィルター２を用いるほど、光周波数グリッドの一本一本の線幅は狭くなる。
【００１１】
図２は本発明の周波数グリッド発生装置の構成を模式的に示したものである。白色光源１としては、市販のランプ、スーパールミネッセントダイオード、半導体アンプ、ファイバーアンプ等で可能であるが、ここでは、ファイバーアンプの場合を例に説明する。ファイバーアンプへの光入力を無入力状態にすると、ファイバーアンプが持っている自然放出光が図３の（イ）に示すように波長軸上の広い範囲に白色的に放出される。
【００１２】
周期性フィルター２は、コリメート用レンズ７、光共振器３及び集光用レンズ８で構成される。光共振器３としては、平行平面ガラスの両面に高反射膜を蒸着したソリッドタイプと、片面に高反射膜を蒸着した２枚のガラス板を対向させた中空タイプがあり、どちらも利用可能であるが、ここでは、共振器長（図２に示す）の調整が容易な中空タイプとした。また、対向させるガラス板は、平面板でも良いが、光共振器としての効率を高めるため、２枚の凹面鏡４ａ、４ｂを対向させた共焦点タイプの光共振器とした。この光共振器３のフィネス、自由スペクトル域（以下ＦＳＲという。FSR:Free Spectrum Range ）はそれぞれ１５０、１．５ＧＨｚとした。共振周波数及びＦＳＲ（すなわち周期性フィルター２の透過プロファイル）は、外部からの信号で制御可能の圧電素子５により共振器長を微調することによって調整できる。
【００１３】
白色光源１としてのファイバーアンプから出力された自然放出光は、入力用ファイバー６を伝播して、コリメート用レンズ７によってコリメートされる。コリメートされた自然放出光は、共焦点タイプの光共振器３を透過し、集光用レンズ８により集光され、出力用ファイバー９に入力される。周期性フィルター２の透過ピークでの透過率は約８％であり、フィネス１５０であることから、透過損失は約３６ｄＢである。
【００１４】
上記白色光源１としてのファイバーアンプ、入力用ファイバー６、周期性フィルター２及び出力用ファイバー９から光周波数グリッド発生部１０が構成される。
図３の（ロ）に光周波数グリッド発生部１０から出力された光周波数グリッドのパワー特性を示す。なお、このパワー特性は測定に用いた光スペクトラムアナライザーの最小分解能が１２．５ＧＨｚであるため、一本一本の光周波数グリッドを分離して観測することができない。そのため、光周波数グリッドのエンベロープのパワー特性を示している。なお、光周波数グリッド一本一本の線幅は、上述のようにＦＳＲ１．５ＧＨｚ、フィネス１５０であることから、約１０ＭＨｚである。
【００１５】
上記のようにして光周波数グリッド発生部１０から出力された光周波数グリッドについて、そのグリッド一本一本の周波数を高確度に安定化させるためには、周波数基準光源からの周波数基準光と光周波数グリッド間のヘテロダイン検波を行なって得られたヘテロダイン検波信号の周波数又は位相が一定となるように光周波数グリッド発生部１０を制御する。それによって、光周波数グリッド一本一本の周波数は周波数基準光源の周波数に同期し、周波数基準光源と同等の周波数安定度や周波数確度を有することができる。
【００１６】
この周波数を安定化するための構成を、図２を用いてさらに説明する。
出力用ファイバー９から出力された光周波数グリッドは、分岐器である分岐用ファイバーカップラ１１で２分岐され、その一方は、出力光として外部へ出力され、もう一方は、周波数基準光源１２から出力された周波数基準光と合波器である合波用ファイバーカップラ１３により合波され受光器１４に入力される。受光器１４は光周波数グリッドと周波数基準光間のへテロダイン信号を電気信号に変換してヘテロダイン検波信号として出力する。このヘテロダイン検波信号は、光周波数グリッドと周波数基準光間の差周波数に等しい周波数成分を有している。
【００１７】
ヘテロダイン検波信号は、ＧＨｚオーダーの高周波信号であるために、分周器１５に入力されて、ＭＨｚオーダーの信号に分周された後に、位相比較器１６の＋端子に入力される。また、例えば周波数シンセサイザーで構成される基準信号源１７からは、ＭＨｚオーダーの周波数基準信号が出力され、位相比較器１６の−端子に入力される。
【００１８】
位相比較器１６からは、両信号間の位相差（又は周波数差）に比例した電圧が位相差信号として出力されて共振器長制御器１８に入力される。共振器長制御器１８はこの位相差信号に基づいて、光共振器３の圧電素子５を制御して共振器長を可変するための信号を生成して、周期性フィルター２に出力する。これによって、受光器１４から出力されたヘテロダイン検波信号は位相差信号の電圧が零になるように圧電素子５に負帰還される。
【００１９】
この制御により、光周波数グリッドと周波数基準光間の差周波数は、［周波数基準信号の周波数］×［分周比］の周波数に安定化されるとともに、光周波数グリッドが周波数基準光に同期されて、光周波数グリッドの周波数確度と周波数安定度が周波数基準光源１２と同等となる。
なお、上述の分周器１５、位相比較器１６、基準信号源１７及び共振器長制御器１８は負帰還回路１９を構成する。したがって、負帰還回路１９は、受光器１４から入力されたヘテロダイン検波信号の位相又は周波数に依存した信号を検出し、その信号に基づいて周期性フィルター２の透過プロファイルを可変するための信号を生成して周期性フィルター２に帰還している。
【００２０】
ここで、受光器１４から出力されるヘテロダイン検波信号の特性について説明する。
周波数基準光源１２として、発振波長１．５５３μｍ、発振線幅１００ｋＨｚの外部共振器構造ＬＤ（以下ＥＣＬＤという。ECLD:External Cavity Laser Diode) を用い、このＥＣＬＤからのレーザー光（周波数基準光）と光周波数グリッド間でヘテロダイン検波を行って得られたヘテロダイン検波信号を、図４に示すように電気のスペクトルアナライザを用いて測定した。なお、ＥＣＬＤからのレーザー光は、図３の（ハ）に示すような特性であり、また、スペクトラムアナライザの掃引帯域幅は２ＧＨｚとした。
【００２１】
図４に示す光周波数グリッドＡ，Ｂと、ＥＣＬＤのレーザー光間のヘテロダイン検波信号が図５に示すように観測された。すなわち、図４に示すように、ＥＣＬＤのレーザー光の周波数を光周波数グリッドＡから高周波側に０．５ＧＨｚ離調させたため、光周波数グリッドＡ及びＢに対するヘテロダイン検波信号が、図５において、５００ＭＨｚ付近及び１０００ＭＨｚ付近にそれぞれ観測されている。なお、図５において、Ａ’はＡの信号の第二高調波信号である。
【００２２】
図５から分かるように、光周波数グリッドＡのヘテロダイン検波信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）は約２５ｄB 、周波数スペクトル幅は約１０ＭＨｚであり、これはヘテロダイン検波信号として分周器１５へ入力され、さらに光共振器３の圧電素子５に負帰還されて、光周波数グリッドと周波数基準光間の差周波数を高精度に制御するのに十分な値である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の光周波数グリッド発生装置は、白色光源と周期性フィルターを組み合わせることにより、光周波数グリッドを発生し、さらにレーザーダイオードから構成された周波数基準光源からの周波数基準光と当該光周波数グリッドとのヘテロダイン検波によって得られたヘテロダイン検波信号に基づいて周期性フィルターに負帰還をかけることにより、光周波数グリッド一本一本の周波数を周波数基準光源の周波数に同期させ、それによって安定性に優れた高確度な光周波数グリッドを発生させることができた。本発明の光周波数グリッド発生装置は、上記のような構成としたために、低価格化を実現できた。従って、本発明の光周波数グリッド発生装置を用いることにより、ＷＤＭ方式において各チャンネルのキャリア周波数の測定・監視を経済的かつ高確度に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光周波数グリッド発生装置の原理を示した図
【図２】本発明の光周波数グリッド発生装置の構成を模式的に示した図
【図３】本発明の光周波数グリッド発生装置で利用したファイバーアンプの自然放出光、光周波数グリッドの出力パワー及び周波数基準光源に用いた外部共振器構造ＬＤのスペクトルを示した図
【図４】本発明の光周波数グリッド発生装置におけるヘテロダイン検波信号の特性を測定するための測定系を示した図
【図５】本発明の光周波数グリッド発生装置のヘテロダイン検波信号の特性を示した図
【図６】波長多重通信方式の概要を示した図
【図７】従来技術の光周波数コム発生器及び光周波数マーカの構成を示した図
【図８】光周波数グリッドを説明するための図
【符号の説明】
１          白色光源
２          周期性フィルター
３          光共振器
４ａ、４ｂ  凹面鏡
５          圧電素子
６          入力用ファイバー
７          コリメート用レンズ
８          集光用レンズ
９          出力用ファイバー
１０        光周波数グリッド発生部
１１        分岐用ファイバーカップラ（分岐器）
１２        周波数基準光源
１３        合波用ファイバーカップラ（合波器）
１４        受光器
１５        分周器
１６        位相比較器
１７        基準信号源
１８        光共振器制御器
１９        負帰還回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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